JP6141715B2 - レーザ光によるガラス基板融着方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板融着方法、特に、重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させるガラス基板融着方法及びそれを用いたレーザ加工装置に関する。

例えば、ＩＴ機器用の装置においては、２枚のガラス基板を重ね合わせたデバイスが用いられている。このような積層された２枚のガラス基板を接合するための方法及び装置が、特許文献１に示されている。

特許文献１に示されたガラス基板の接合方法は、２枚のガラス基板の接合界面にレーザ光を照射して接合する方法である。この方法は、まず、２枚のガラス基板のそれぞれの接合面に黒色の油性塗料等からなるレーザ光吸収材が塗布される。そして、このレーザ光吸収材にレーザ光を吸収させることにより、吸収熱によって接合部のガラス同士が溶融して接合する。

また、特許文献２には、短パルスレーザ光により多光子吸収現象を生成させ、２枚のガラス基板を接合する方法が示されている。この特許文献２の方法では、まず、２枚のガラス基板を積層するとともに、互いが接近する方向に圧力が付与される。次に、２枚のガラス基板の間でアブレーションが生じないように、その間隙がレーザ光の中心波長の１／４程度以下となるようにして互いに当接させ、レーザ光の焦点を２枚のガラス基板の当接部近傍に位置させて短パルスレーザ光を照射するようにしている。

特開２００３−１７０２９０号公報 特許第４７０９４８２号公報

特許文献１の方法では、２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を介在させる必要があり、そのための工程が必要になる。

また、特許文献２の方法では、短パルスレーザ光が用いられるが、短パルスレーザ光は高価である。また、この特許文献２の方法では、多光子吸収現象を生成させるために、レーザ光のスポット径を小さくする必要があり、このため、集光光学系と焦点位置制御のために複雑な装置が必要となる。

本発明の課題は、安価なレーザ光を用いて、光学系も簡単であり、さらにレーザ光吸収材が不要なガラス基板の融着方法及びそれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。

本発明の第１側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、ガラス基板にレーザ光を照射して重ね合わされたガラス基板を融着させる方法であって、以下の工程を備えている。

第１工程：２枚のガラス基板を、２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を介在させることなしに重ね合わせる。

第２工程：重ね合わされたガラス基板の一方側の主面から波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を照射しながら融着予定ラインに沿って走査し、２枚のガラス基板を融着する。

この方法では、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光がガラス基板に対して照射される。中赤外光はガラス基板の内部まで浸透しながら吸収されるために、ガラス基板の表面から内部にわたって、熱分布の偏りが少なくなる。すなわち、ガラス基板の内部は比較的均一に加熱される。したがって、ガラス基板の熱損傷を抑制しつつ、ガラス基板を溶融させることが可能となる。

ここでは、２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を用いる必要がなく、工程が簡素になる。また、中赤外光のレーザ光を用いるために、集光光学系と焦点位置制御のための構成が簡単になる。

本発明の第２側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１側面の方法において、第２工程では、波長が２．７以上５．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光をガラス基板に対して照射する。

ここでは、ガラスに対する透過率が比較的高い中赤外のレーザ光が用いられるので、レーザ光が照射される一方のガラス基板の厚さが比較的厚い場合でも、他方のガラス基板までレーザ光が届き、安定してガラス基板を融着させることができる。

本発明の第３側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１側面の方法において、第２工程では、連続発振のレーザ光をガラス基板に対して照射する。

ここでは、連続発振のレーザ光が用いられるので、均一な連続する溶融部を簡単に形成することができる。

本発明の第４側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１側面の方法において、第２工程では、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のパルスレーザ光をガラス基板に対して照射する。

ここでは、擬似連続発振のレーザ光が用いられるので、連続発振のレーザ光と同様にほぼ均一な連続する溶融部を簡単に形成することができる。

本発明の第５側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１側面の方法において、第２工程では、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をガラス基板に対して照射する。

ここでは、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光が用いられるので、パルスレーザの１パルスごとに形成された各溶融部を互いに重ねて連続させた溶融部を形成できる。

本発明の第６側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１から第５側面のいずれかの方法において、第１工程では、２枚のガラス基板を押圧することなく重ね合わせる。

ここでは、２枚のガラス基板を互いに圧接する必要がなく、装置構成が簡単になる。

本発明の第７側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１から第６側面のいずれかの方法において、第２工程では、レーザ光の照射及び走査により、２枚のガラス基板の対向面にそれぞれ凸部を形成するとともに凸部同士を融着させ、２枚のガラス基板の間に所定の隙間を介在させる。

ここでは、液晶表示装置等のように、２枚のガラス基板を、それらの間に隙間を介在させて接合するような場合に有効である。

本発明の第８側面に係るレーザ光によるガラス基板融着方法は、第１から第７側面のいずれかの方法において、第２工程では、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する。

本発明の第９側面に係るレーザ加工装置は、重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させる装置であって、ワークテーブルと、レーザ発振器と、光学系と、走査機構と、を備えている。ワークテーブルはそれらの間にレーザ光吸収材を介在させることなしに重ね合わされた２枚のガラス基板が載置される。レーザ発振器は波長が２．７以上６．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を発振する。光学系はレーザ発振器からのレーザ光を集光して２枚のガラス基板の間を通過するように照射する。走査機構は、光学系とワークテーブルとを相対的に移動させて、集光されたレーザ光を融着予定ラインに沿って走査する。

本発明の第１０側面に係るレーザ加工装置は、第９側面の装置において、レーザ発振器は波長が２．７以上５．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を連続発振する。

本発明の第１１側面に係るレーザ加工装置は、第９側面の装置において、レーザ発振器はレーザ光を連続発振する。

本発明の第１２側面に係るレーザ加工装置は、第９側面の装置において、レーザ発振器は繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上のパルスレーザ光を擬似連続発振する。

本発明の第１３側面に係るレーザ加工装置は、第９側面の装置において、レーザ発振器は繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を発振する。

本発明の第１４側面に係るレーザ加工装置は、第９から第１３側面のいずれかの装置において、レーザ発振器は、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する。

以上のような本発明では、中赤外光のレーザ光を用いて、かつ２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を介在させることなく融着を行うので、安価にガラス基板を接合することができ、しかも光学系の装置構成を簡単にすることができる。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。 無アルカリガラスに対するレーザ光の波長と透過率との関係を示す図。 ソーダガラスに対するレーザ光の波長と透過率との関係を示す図。 焦点位置とガラス基板に形成される凸部の高さとの関係を示す顕微鏡写真。 ２枚のガラス基板を融着させた場合の断面を示す顕微鏡写真。

［レーザ加工装置］
本発明の一実施形態によるレーザ加工装置を図１に示す。このレーザ加工装置は、重ね合わされた２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２が載置されるワークテーブル１と、レーザ発振器２と、光学系３と、走査機構としてのテーブル移動機構４と、を備えている。

レーザ発振器２は、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光を発振する。ここで、レーザ発振器２としては、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたレーザ光で、前述のように、波長が２．７〜６．０μｍのものを出射するものであればよい。また、ここでは、連続発振のレーザ光を出射する。

光学系３は、複数の反射ミラー６ａ，６ｂ，６ｃ及び集光レンズ７を含んでいる。集光レンズ７は、レーザ光を集光して２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間、すなわち両者の接合部にレーザ光を通過させるように設定されている。

テーブル移動機構４は、互いに直交するＸ及びＹ方向にワークテーブル１を移動させるための機構である。このテーブル移動機構４によって、集光点を融着予定ラインに沿って走査することができる。

［ガラス基板の融着方法］
以上のレーザ加工装置を用いて、２枚のガラス基板を融着させる場合は、以下の工程によって行われる。

まず、融着すべき２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２を重ねあわせ、ワークテーブル１上の所定位置にセットする。このとき、２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２の間には、レーザ光吸収材を介在させず、かつ２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２を圧接するための圧力を加えることもしない。

以上のような２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２に対して、前述のような中赤外光のレーザ光が両ガラス基板Ｇ１，Ｇ２間を通過するように照射し、さらに融着予定ラインに沿って走査する。

以上のようなレーザ光の連続照射及び走査によって、両ガラス基板Ｇ１，Ｇ２におけるレーザ光の照射部分には、相手側のガラス基板に向かって突出する凸部が形成される。そして、この凸部の先端同士が融着し、結果的に２枚のガラス基板Ｇ１，Ｇ２が、その間に所定の間隙をあけて、走査ライン（融着予定ライン）に沿って融着する。

特に、波長３μｍ程度の中赤外光のレーザ光を利用することによって、レーザ光はガラス基板の内部まで透過しながら吸収される。このため、ガラス基板の表面から内部まで、熱分布の偏りが少なくなる。また、ガラス基板の熱損傷を抑えて溶融、融着させることができる。

［透過率と波長］
図２に、板厚が０．２ｍｍの無アルカリガラス（例えばＯＡ１０（製品名：日本電気硝子社製））のガラス基板に対するレーザ光の波長と透過率との関係を示している。また、図３に、板厚が０．５ｍｍのソーダガラスのガラス基板に対するレーザ光の波長と透過率との関係を示している。

図２から明らかなように、板厚０．２ｍｍの無アルカリガラスに対しては、波長が１０．６μｍのＣＯ２レーザでは透過率が「０」であるので、レーザ光は基板の表面で吸収されることになる。また、波長が１μｍのＹＡＧレーザや、波長が５３２ｎｍのグリーンレーザでは、透過率が９０％以上であり、透過しない約１０％のレーザ光もそのほとんどは表面で反射され、基板内部に吸収されない。そして、波長が２．８μｍのレーザ光であれば、基板内部でほぼ均一に吸収され、基板内部を溶融させて、重ね合わされた２枚の基板を融着することができる。

また、図３の板厚０．５ｍｍのソーダガラスでは、波長が２．８μｍのレーザ光では、基板の内部までレーザ光が透過しながら吸収され、したがって基板内部を溶融させて、重ね合わされた２枚の基板を融着することができる。なお、図２と図３に示したグラフの透過率の値の差は、試料の厚さの違いに起因するものであり、厚さが同じであれば、無アルカリガラスとソーダガラスとで透過率に差は無いと思われる。

以上のことから、波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下のレーザ光を用いることによって、多くのガラス基板に対して、基板内部を溶融させて２枚の基板を融着することができると推察される。また、レーザ光を照射する基板の厚さが比較的厚い場合でも、波長２．７μｍ以上５．０μｍ以下のレーザ光を用いることにより、安定して２枚の基板を融着することができる。

［実験例：凸部の形成］
ガラス基板に前述のような中赤外光のレーザ光を照射した場合に、ガラス基板表面に凸部が形成される様子を図４に示している。この図４の例のガラス基板及びレーザ照射条件は以下の通りである。

基板：無アルカリガラス（ＯＡ１０＝製品名：日本電気硝子社製）、板厚０．２ｍｍ
レーザ光：ＺＢＬＡＮファイバーレーザ、波長２．７μｍ、出力７Ｗ、連続発振、走査速度２０ｍｍ／ｓ
また、この実験例では、レーザ光の焦点位置を変えた場合に、凸部の高さがどの程度変わるかも確認した。焦点位置は、図４（ａ）では左側が基板内部に０．８ｍｍ入った位置、同図右側は基板内部に０．６ｍｍ入った位置、（ｂ）は基板内部に０．２ｍｍ入った位置、（ｃ）は基板表面から０．２ｍｍの高さの位置、（ｄ）は基板表面から１ｍｍの高さの位置である。

この図４の実験例からも明らかなように、レーザ光の集光位置を変えても、凸部の高さ位置はほぼ一定であり、６〜７μｍであった。

２枚のガラス基板を重ね合わせてレーザ光によって融着する場合、図４に示した凸部の先端が溶融し、互いに融着するが、集光位置（焦点位置）を変えても凸部の高さはほぼ一定である。したがって、２枚のガラス基板を融着させるに際して、集光位置を高精度に制御する必要がないことがわかる。

［実験例：融着］
図５に、図４と同じ条件で２枚のガラス基板を融着した場合の断面を示している。この顕微鏡写真で示すように、上側のガラス基板の裏面の溶融幅は７０μｍであり、両ガラス基板が強固に融着されていることがわかる。

［特徴］
（１）中赤外光のレーザ光をガラス基板に照射することによって、レーザ光はガラス基板の内部まで浸透しながら吸収され、このためガラス基板の表面から内部にわたって均一に加熱される。したがって、ガラス基板の熱損傷を抑制しつつ、ガラス基板を溶融させることが可能となる。

（２）２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を用いる必要がなく、工程が簡素になる。

（３）レーザ光の集光位置に誤差があっても、融着の起点となると凸部の高さはほぼ一定である。したがって、集光光学系と焦点位置制御のための構成が簡単になる。

（４）２枚のガラス基板を重ね合わせる際に、両ガラス基板を互いに押圧する必要がない。したがって、装置構成が簡単になる。

［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

前記実施形態では、連続発振のレーザ光を用いたが、繰り返し周波数１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のパルスレーザ光や、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光を照射するようにしてもよい。

１ ワークテーブル
２ レーザ発振器
３ 光学系
４ テーブル移動機構
Ｇ１，Ｇ２ ガラス基板

Claims (8)

1. 重ね合わされたガラス基板にレーザ光を照射してガラス基板同士を融着させるガラス基板の融着方法であって、
   ２枚のガラス基板を、前記２枚のガラス基板の間にレーザ光吸収材を介在させることなしに重ね合わせる第１工程と、
   前記重ね合わされたガラス基板の一方側の主面から波長が２．７μｍ以上６．０μｍ以下の中赤外光の単一のレーザ光を照射しながら融着予定ラインに沿って走査し、前記２枚のガラス基板を、多光子吸収現象を生じさせることなく融着する第２工程と、
   を備えたレーザ光によるガラス基板融着方法。
2. 前記第２工程では、波長が２．７μｍ以上５．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
3. 前記第２工程では、連続発振のレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
4. 前記第２工程では、繰り返し周波数が１ＭＨｚ以上の擬似連続発振のパルスレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
5. 前記第２工程では、繰り返し周波数が１０ｋＨｚ以上のパルスレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１に記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
6. 前記第１工程では、２枚のガラス基板を押圧することなく重ね合わせる、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
7. 前記第２工程では、前記レーザ光の照射及び走査により、２枚のガラス基板の対向面にそれぞれ凸部を形成するとともに前記凸部同士を融着させ、前記２枚のガラス基板の間に所定の隙間を介在させる、請求項１から６のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。
8. 前記第２工程では、Ｅｒ：Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮ、Ｅｒ：ＹＳＧＧ、Ｅｒ：ＧＧＧ、Ｅｒ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｄｙ：ＺＢＬＡＮ、Ｈｏ：ＺＢＬＡＮ、ＣＯ、Ｃｒ：ＺｎＳｅ、Ｃｒ：ＺｎＳ、Ｆｅ：ＺｎＳｅ、Ｆｅ：ＺｎＳ、半導体レーザの中赤外のレーザ光群の中から選択されたいずれかのレーザ光をガラス基板に対して照射する、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ光によるガラス基板融着方法。